可见-近红外波段的超宽带吸收器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于杂散光消除、空间探测、成像、光热转换及电磁吸收等领域，具体涉及一种可见一近红外波段的超宽带吸收器。
【背景技术】
[0002]由于可见一红外宽波段吸收器可以在诸多不同的新领域发挥重大作用，因而近些年可见一红外宽波段吸收器获得了广泛研究，从而使得越来越宽波段的吸收器被制备出。近年来，研究人员提出了各种电磁波人工电磁结构的近红外吸收器。其中，Chen等利用液滴蒸发的方法在镀有介质层的金属基底上形成随机排列的金纳米棒，实现近红外900nm—1600nm 波段的高吸收(Near-1nfrared broadband absorber with film-coupledmultilayer nanorods, Optics Lett.38，2247-2249 (2013)) ;Zhou 等利用侧向沉积的特点制备出多层的交替介质/金属的锥形结构，实现近红外宽波段的较高吸收(Experimentand Theory of the Broadband Absorpt1n by a Tapered Hyperbolic MetamaterialArray, ACS Photonics 1，618-624 (2014)) ;Ji等提出了一种在银反射镜表面交替堆积金属颗粒和氧化娃薄膜的结构，从而实现300nm—IlOOnm波段平均96%以上的高吸收(Plasmonic broadband absorber by stacking multiple metallic nanoparticlelayers, App1.Phys.Lett.106, 161107 (2015))。
[0003]但是上述方法制备过程较为复杂，耗时较长，制备成本高，不利于大面积量化生产。
[0004]目前相关的文献报道主要有:
[0005]申请号为201510163240.8的中国专利文献公开了一种基于级联结构超材料的超宽带吸收器，该吸收器由9个介质层，9个金属层组成，第I?3介质层和金属层为直径相同的圆柱，第4?6介质层和金属层为直径相同的圆柱，第7?9介质层和金属层为直径相同的圆柱，该吸收器整体结构较为复杂，且对入射角度要求较高。
[0006]申请号为201410020841.9的中国专利文献公开了一种基于可见到近红外波段吸收膜系结构，其在任意衬底上采用气相沉积、液相沉积依次生长金属薄膜层、介质薄膜层，其中金属薄膜层厚度为80nm-l μ m，介质薄膜层厚度为lnm-200nm，金属颗粒无序分布层中等效薄膜层平均高度为5nm-100nm，颗粒平均尺寸为10nm-200nm，金属颗粒表面覆盖率为3% -90%。结构相对比较简单，但是其吸收率不好。
[0007]申请号为201110410712.7的中国专利文献公开了一种太阳能选择性吸收涂层，该涂层由双层或三层结构组成:第一层为抛光后的不锈钢基底，第二层为Cul.5Mnl.504复合氧化物吸收层，第三层由Ti02薄膜构成减反层，自下而上排列。该涂层的吸收率均低于0.9，且制备工艺复杂。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种可见-近红外波段的超宽带吸收器，该吸收器所能覆盖的吸收波段更宽，吸收性能更好，还具有较好的入射角度不敏感性。
[0009]本发明同时提供了一种可见-近红外波段的超宽带吸收器的制备方法，该方方法制备方便，成本低，便于大规模、批量化生产。
[0010]一种可见-近红外波段的超宽带吸收器，包括基底，所述基底上依次设有底部金属吸收层、锗层/金属吸收层交替膜层即(锗/金属吸收层)S、顶部锗层以及三层宽波段减反膜层；所述三层宽波段减反膜层分别包括依次设置在顶部锗层上的底层、中间层和最外层，底层、中间层和最外层的折射率逐渐减小。
[0011]下面为基于上述方案的优选的方案:
[0012]基底材料没有限制，作为优选，所述基底可以选择K9，熔融石英，浮法玻璃等玻璃材料，也可以选择娃，砷化镓等半导体材料。进一步优选为娃片。
[0013]作为优选，所述金属吸收层可以选择铬、钛、铱、钨、镍以及上述材料的合金；作为进一步优选，所述底部金属吸收层可以选择络。所述底部金属吸收层的厚度应大于10nm;进一步优选为100-500nm ;更进一步优选为150-300nm。
[0014]作为优选，三层宽波段减反膜层由下至上材料折射率逐渐减小，靠近底部锗层的底层薄膜材料选择娃，厚度为1nm — 40nm，进一步优选的厚度为15nm — 40nm，更进一步优选为30nm—40nm ;所述中间层薄膜材料可以选择二氧化钛、氧化給、氧化钽、氮化娃等高折射率介质材料，厚度为30nm — 80nm，进一步优选的厚度为35nm — 60nm，更进一步优选为50nm — 60nm ;所述最外层薄膜材料可以选择氟化镁、二氧化娃、氟化乾等低折射率介质材料，厚度为70nm—130nm，进一步优选的厚度为80nm—120m，更进一步优选为10nm—120nm。本发明三层宽波段减反膜层由下至上优选为硅、二氧化钛、氟化镁。
[0015]作为优选，所述顶部锗层的厚度为1nm—40nm ;进一步优选为20nm—40nm。
[0016]作为优选，所述锗层/金属吸收层交替膜层由一个或多个锗层/金属吸收层单元组成，其中锗层靠近底部金属吸收层设置，可表示为(锗/金属吸收层)S，其中S为大于等于I的正整数。作为优选，所述锗层/金属吸收层交替膜层中，各层的厚度为1nm — SOnm ;作为进一步优选，所述锗层/金属吸收层交替膜层中，锗层的厚度为33nm — 80nm。所述锗层/金属吸收层交替膜层中金属吸收层的材料选自铬、钛、铱、钨、镍以及上述材料的合金；作为进一步优选，所述锗层/金属吸收层交替膜层中金属吸收层可以选择铬、钛；所述锗层/金属吸收层交替膜层中金属吸收层的厚度为1nm—40nm ;进一步优选为15nm—30nm。作为优选，S为1、2或3。多个锗层/金属吸收层单元，锗层的厚度可以相同，也可以不同；金属吸收层的厚度可以相同，也可以不同，可根据实际需要调整。
[0017]本发明同时还提供了一种可见-近红外波段的超宽带吸收器的制备方法，包括如下步骤:
[0018](I)根据所要求的吸收器带宽要求和吸收率要求，通过优化各层薄膜的厚度，设计出符合要求的膜系；该步骤可采用现有的软件实现优化操作；
[0019](2)将基底放入丙酮溶液中超声，接着用乙醇清洗基底；然后将基底放入乙醇溶液中超声，接着用去离子水清洗基底；最后将基底放入去离子水中超声，接着用去离子水再次清洗基底；
[0020](3)采用真空镀膜依次沉积各膜层，得到可见一近红外波段的超宽带吸收器。
[0021]作为优选，步骤(2)中，每次超声的时间一般为5-30min ;进一步优选为5_10min。
[0022]本发明的可见一近红外波段的超宽带吸收器，相比于传统的吸收器，它所能覆盖的吸收波段更宽，吸收性能更好，还具有较好的入射角度不敏感性。因此本发明的可见一近红外波段的超宽波段吸收性能上完全超越了传统的吸收器。由于本发明的可见一近红外波段的超宽带吸收器结构是紧凑的多层薄膜结构，相比于传统的宽带吸收器以及近些年提出的人工电磁吸收器，结构更加简单。正由于其紧凑的多层薄膜结构，本发明的可见一近红外波段的超宽带吸收器避免了复杂的纳米加工技术，例如电子束加工技术、聚焦离子束刻蚀技术、反应离子刻蚀技术、光刻技术等等，从而使得生产成本显著下降，生产周期显著缩短，从而便于大规模、批量化生产。
[0023]本发明基于金属吸收层的阻挡入射作用结合锗层的宽波段减反膜层，从而构建了宽波段的无透射的减反结构，因而实现了高效率、角度不敏感的可见一近红外波段超宽带吸收。本发明的可见一近红外波段的超宽带吸收器结构简单，制备方便，成本低，适于大面积批量化地生产，从而使得可见一近红外波段的超宽带吸收器的制备成本大大降低。因此该发明有望在光热转换、电磁吸收、探测以及成像等方面广泛应用，为我国国民经济、社会发展、科学技术和国防建设等领域作出贡献。
【附图说明】
[0024]图1为本发明可见一近红外波段的超宽带吸收器的结构示意图；
[0025]图2为本发明可见一近红外波段的超宽带吸收器的制备流程图；
[0026]图3为本发明可见一近红外波段的超宽带吸收器的超宽带吸收机理分析图；
[0027]图4为实施例1制备的S = 1，7层Cr/Ge/Cr/Ge/Si/Ti02/MgF2薄膜结构的吸收光谱图；
[0028]图5 为实施例 2 制备的 S = 2，9 层 Cr/Ge/Cr/Ge/Cr/Ge/Si/Ti02/MgF2薄膜结构的吸收光谱图；
[0029]图6为实施例3制备的S = 1，7层Ti/Ge/Ti/Ge/Si/Ti02/MgF2薄膜结构的吸收光谱图；
[0030]图7 为实施例 4 制备的 S = 2，9 层 Ti/Ge/Ti/Ge/Ti/Ge/Si/Ti02/MgF2薄膜结构的吸收光谱图；
[0031]图8